El síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 (SARS-CoV-2) es la causa de la actual pandemia de COVID-19 que infecta a millones de personas en todo el mundo. El diagnóstico y el tratamiento tempranos del SARS-CoV-2 son fundamentales para la trazabilidad, el tratamiento oportuno y la prevención de la propagación del virus.
Estudio: Transistor de efecto de campo basado en grafeno para la detección inmune altamente sensible del antígeno SARS-CoV-2 Spike-S1. Crédito: Leonid Altman/Shutterstock.com
En un artículo reciente publicado en la revista ACS Applied Biomaterials, los investigadores discutieron un nuevo método rápido para detectar el antígeno S1 del pico del SARS-CoV-2 (S1-Ag) con alta sensibilidad utilizando un transistor de efecto de campo (FET) basado en grafeno.
El anticuerpo patentado anti-Spike-S1 (S1-Ab) se inmovilizó covalentemente en el grafeno. Además, el grafeno se funcionalizó en la superficie con grupos carboxilo a través de la química de la carbodiimida.
Espectroscopía ultravioleta-visible (UV-Vis), Espectroscopía infrarroja transformada de Fourier (FTIR), Microscopía de fuerza atómica (AFM), Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), Microscopía electrónica de barrido (SEM), Espectroscopía Raman, Microscopía óptica, ligada a enzimas Los ensayos inmunoabsorbentes (ELISA) ayudaron a caracterizar el proceso de fabricación y bioconjugación de FET basado en grafeno.
La respuesta eléctrica del dispositivo se correlacionó con el cambio de resistencia causado por la interacción en tiempo real entre Ag-Ab. Los dispositivos FET basados en grafeno probados para S1-Ag en el rango de 1 femtomolar a 1 micromolar mostraron que los dispositivos FET basados en grafeno desarrollados eran altamente específicos y sensibles incluso a niveles bajos de S1-Ag
Técnicas de detección de SARS-CoV-2
Los componentes estructurales del virus SARS-CoV-2 forman un ARN monocatenario (ss), una nucleocápside (Nuc), una espiga (S), una matriz (M) y una envoltura (E). El SARS-CoV-2 comparte similitudes genómicas con el coronavirus de murciélago, RaTG13 y el síndrome respiratorio de Oriente Medio (MERS-CoV). El SARS-CoV-2 ingresa a la célula huésped a través de la enzima convertidora de angiotensina II (ACE2) presente en las células de los mamíferos.
La reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa inversa (RT-PCR), las tiras de cromatografía de flujo lateral y la tomografía computarizada (TC) de tórax son las principales técnicas de diagnóstico para detectar el SARS-CoV-2. Sin embargo, la RT-PCR y las tomografías computarizadas son técnicas costosas y demoradas que requieren profesionales capacitados para operar. Además, la detección de virus por tomografía computarizada no es específica de la cepa del virus y requiere una alta dosis de radiación. Por lo tanto, se requiere una técnica de diagnóstico robusta y sensible para la detección rápida de Ag viral.
El sensor inmunológico basado en óxido de estaño dopado con flúor (FTO) es un detector de SARS-CoV-2 con un límite de detección (LOD) de 0,73 femtomoles. Se utilizan biomoléculas como enzimas, anticuerpos, aptámeros y ácidos nucleicos para detectar moléculas diana. Sin embargo, los anticuerpos son mejores elementos de biorreconocimiento que otros ADN y aptámeros debido a su alta estabilidad, alta afinidad e inmovilización en varios elementos sensores como el grafeno.
Varios nanomateriales, como las nanopartículas de óxido de hierro (NP), las NP de oro (Au), los organogeles, los nanotubos de carbono y el grafeno aumentan la sensibilidad del biosensor. El grafeno es un material bidimensional (2D) hexagonal que se prefiere a los nanomateriales en el desarrollo de biosensores sensibles. Además, los FET basados en grafeno tienen un gran potencial para el desarrollo de plataformas de diagnóstico. Aunque anteriormente se informó sobre varios sensores basados en FET para la detección de SARS-CoV-2, tenían requisitos de fabricación desafiantes.
FET basado en grafeno para detección inmune de SARS-CoV–2 S1 Ab
En el presente estudio, los investigadores generaron un grafeno modificado con S1-Ab interno y desarrollaron un dispositivo FET con sensor CoV para detectar SARS-CoV-2 S1-Ab. Los S1-Abs generados internamente en el presente estudio hicieron que la fabricación de sensores fuera un método rentable. Los FET basados en grafeno se fabricaron sobre sílice (SiO2)/silicio (Si) sustrato basado en un proceso convencional de exfoliación con cinta Scotch seguido de litografía por haz de electrones (EBL) y metalización con una relación de 5/50 nanómetros de cromo (Cr)/Au.
Los S1-Ab producidos internamente se conjugaron covalentemente con grafeno a través de la química de la carbodiimida. La interacción de S1-Ab con S1-Ab conjugado con grafeno condujo a la redistribución del dopaje local y, en consecuencia, cambió la resistencia del grafeno que se estaba monitoreando. El establecimiento y la conjugación de interacciones Ab y Ag-Ab se ha confirmado utilizando varios métodos analíticos.
La bioconjugación de S1-Ab en la superficie del grafeno mostró dos picos de absorción a 230 y 280 nanómetros en la espectroscopia UV-Vis, y el pico a 280 nanómetros confirmó el pico Ab. Los espectros FTIR de las muestras mostraron un pico ancho alrededor de 3700 a 3000 centímetros inversos, correspondiente a la vibración de estiramiento del grupo hidroxilo (C-OH), que es el pico característico del grafeno activado.
Los resultados demostraron la fabricación de dispositivos FET basados en grafeno para detectar S1-Ag con un LOD de 10 femtomoles. Este dispositivo tiene una aplicación potencial en el desarrollo de sensores miniaturizados y portátiles para detectar el SARS-CoV-2.
Conclusión
En resumen, se desarrolló un sensor FET basado en grafeno y el SARS-CoV-2 S1-Ab usó grafeno inmovilizado como elemento de detección. Ab etiquetado con grafeno unido a Ag desencadenó la redistribución de dopaje local que alteró la conductividad en el grafeno, que fue leído por el sensor desarrollado. El contenido de Ag se analizó con un LOD de 10 femtomoles.
El dispositivo sensor desarrollado fue altamente específico para el virus SARS-CoV-2 y no mostró reactividad cruzada con MERS-CoV. Por lo tanto, este sensor es un dispositivo de bajo costo para detectar el SARS-CoV-2, y el sensor FET basado en grafeno desarrollado tiene el potencial de miniaturizarse en el desarrollo de una plataforma de sensores portátiles para diagnosticar el SARS-CoV-2.
Relación
Shahdeo D, Chauhan N, Majumdar A, Ghosh Arindam, Gandhi Sonu. (2022). Transistor de efecto de campo basado en grafeno para la detección inmune altamente sensible del antígeno SARS-CoV-2 Spike-S1. Biomateriales Aplicados ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsabm.2c00503
